核酸降解和核苷酸的代谢课件

1、第九章第九章 核酸的酶促降解和核苷酸代谢核酸的酶促降解和核苷酸代谢 第一节第一节 核酸的酶促降解核酸的酶促降解第二节第二节 核苷酸的分解核苷酸的分解第三节第三节 核苷酸的合成核苷酸的合成l 核酸酶实质是磷酸二脂酶。核酸酶实质是磷酸二脂酶。l 根据酶对底物的专一性分为根据酶对底物的专一性分为： 核糖核酸酶核糖核酸酶 脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶 非特异性核酸酶非特异性核酸酶 l 根据酶的作用方式分根据酶的作用方式分： 内切酶、外切酶。内切酶、外切酶。第一节第一节 核酸的酶促降解核酸的酶促降解 核酸酶核酸酶 核酸核酸 核苷酸核苷酸一一、核糖核酸酶核糖核酸酶（RNaseRNase）只水解只水解RNA

2、RNA磷酸二酯键的磷酸二酯键的酶酶牛胰核糖核酸酶牛胰核糖核酸酶I I（RNaseIRNaseI），），作用位点是嘧啶核苷作用位点是嘧啶核苷-3-3- -磷酸与其它核苷磷酸与其它核苷酸间的连接键。酸间的连接键。 （内切核酸酶）内切核酸酶）核糖核酸酶核糖核酸酶T1T1（RNaseT1RNaseT1），），作用位点是作用位点是3 3 - -鸟苷酸与其它核苷酸的鸟苷酸与其它核苷酸的5 5- -OHOH间的键。（间的键。（内切核酸酶）内切核酸酶）5 p p p pOHPyPuPyPu1 p p pGACU p p pGA3 RNAase IRNAase IRNAase T1RNAase T1l 牛胰脱氧

3、核糖核酸酶（牛胰脱氧核糖核酸酶（DNaseDNase）： 可切割双链和单链可切割双链和单链DNADNA，降解产物为降解产物为3 3- -磷酸为末磷酸为末端的寡核苷酸。端的寡核苷酸。l 限制性核酸内切酶：限制性核酸内切酶： 细菌产生的、能识别并特异切割外源细菌产生的、能识别并特异切割外源DNADNA特定序列特定序列中的磷酸二脂键中的磷酸二脂键( (对碱基序列专一对碱基序列专一）的核酸内切）的核酸内切酶。酶。 二二、脱氧核糖核酸酶脱氧核糖核酸酶(DNAase)(DNAase)只能水解只能水解DNA磷酸二酯键的酶磷酸二酯键的酶限制性核酸内切酶类型限制性核酸内切酶类型I I型：型：识别位点识别位点与与

4、切割位点切割位点相差甚远相差甚远型：型：切割位点切割位点位于位于识别位点识别位点上，产物为专一性片段。上，产物为专一性片段。型：型：识别位点识别位点为为5-75-7bpbp的非对称序列，的非对称序列，切割位点切割位点在在顺序之外离识别序列顺序之外离识别序列5-105-10bpbp50年代初发现了由寄主控制的限制和修饰现象年代初发现了由寄主控制的限制和修饰现象 (B) (K)大肠杆菌大肠杆菌B大肠杆菌大肠杆菌K11410 410 4E.O.P 成斑率成斑率efficiency of plating限制限制修饰的酶学假说修饰的酶学假说 (B) (B)酶切位点酶切位点不被修饰不被修饰噬菌体噬菌体DN

5、A被切割被切割酶切位点酶切位点被修饰被修饰基因组基因组DNA不被切割不被切割限制性核酸内切酶的类型限制性核酸内切酶的类型M. Meselson和和R. Yuan在在1968年第一次从大肠年第一次从大肠杆菌杆菌 B株和株和 K株分离的。株分离的。如如 EcoB EcoB 和和 EcoKEcoK。（1 1）识别位点序列）识别位点序列EcoB： TGA(N)8TGCT EcoK：AAC(N)6GTGC1.I1.I型限制性内切酶型限制性内切酶 未甲基化修饰的特异序列。未甲基化修饰的特异序列。需需ATP、Mg2+和和SAM（S-腺苷蛋氨酸）。腺苷蛋氨酸）。（3 3）作用机理）作用机理在距离特异性识别位点

6、约在距离特异性识别位点约10001500 bp处处随机切开一条单链。随机切开一条单链。Recognize siteCut site1-1.5kb（2 2）切割位点）切割位点1970年，年，H.O. Smith和和K.W. Wilcox从流感嗜血菌中从流感嗜血菌中分离出分离出第一个酶是第一个酶是Hind 。 （1 1）识别位点序列）识别位点序列未甲基化修饰的双链未甲基化修饰的双链DNA上的特殊靶序列上的特殊靶序列（多数是回文序列）。（多数是回文序列）。 与与DNA的来源无关。的来源无关。2.2.II 类限制性内切酶类限制性内切酶 （2）切割位点）切割位点:识别位点处。识别位点处。（3）粘性末端（

7、）粘性末端（sticky ends, cohesive ends）含有几个核苷酸单链的末端。含有几个核苷酸单链的末端。分两种类型：分两种类型： 5端凸出（如端凸出（如EcoR I切点）切点）GAATTC CTTAA G G AATTC CTTAAG5-3 3-5 5-3 3-5 CTGCAG 3端凸出（如端凸出（如Pst I切点）切点）GACGTC 5-3 3-5 5-3 3-5 CTGCA G G ACGTC 例：例：Eco R IEco R I是从大肠杆菌（是从大肠杆菌（E. coliE. coli）R R菌珠中分离出的一种限制性内切酶菌珠中分离出的一种限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶

8、3. III类限制性内切酶类限制性内切酶 在完全肯定的位点切割在完全肯定的位点切割DNA，但反应需要，但反应需要ATP、 Mg2+和和SAM（S-腺苷蛋氨酸）。腺苷蛋氨酸）。用途不大。用途不大。限制性核酸内切酶的比较限制性核酸内切酶的比较主要特性主要特性 I 型型 II 型型 III 型型限制修饰限制修饰多功能多功能单功能单功能双功能双功能蛋白结构蛋白结构异源三聚体异源三聚体同源二聚体同源二聚体异源二聚体异源二聚体辅助因子辅助因子ATP Mg2+ SAMATP Mg2+ SAMMg2+识别序列识别序列TGAN8TGCT回文序列回文序列GAGCCAACN6GTGCCAGCAG切割位点切割位点距识

9、别序列距识别序列1kb处处 识别序列内或附近识别序列内或附近距识别序列下游距识别序列下游随机性切割随机性切割特异性切割特异性切割24-26bp处处l可水解可水解RNARNA和和DNADNA磷酸二酯键的核酸酶。磷酸二酯键的核酸酶。l小球菌核酸酶（小球菌核酸酶（内切酶），可作用于内切酶），可作用于RNARNA或变或变性的性的DNADNA，产生产生3 3- -核苷酸或寡核苷酸。核苷酸或寡核苷酸。l蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二酯酶（外切酶）。（外切酶）。三三、非特异性核酸酶非特异性核酸酶蛇毒磷酸二酯酶能从蛇毒磷酸二酯酶能从RNARNA或或DNADNA链的游离的链的游离的3-

10、3-OHOH逐个逐个水解，生成水解，生成5-5-核苷酸。核苷酸。牛脾磷酸二酯酶从游离的牛脾磷酸二酯酶从游离的5-5-OHOH开始逐个水解，生成开始逐个水解，生成33- -核苷酸。核苷酸。 第二节第二节 核苷酸的降解核苷酸的降解核酸酶（磷酸二酯酶）核酸酶（磷酸二酯酶）核苷酸酶（磷酸单酯酶）核苷酸酶（磷酸单酯酶）核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶 核酸核酸核苷酸核苷酸核苷核苷磷酸磷酸嘌呤或嘧啶嘌呤或嘧啶戊糖戊糖-1-磷酸磷酸核苷酸的降核苷酸的降解解一、核苷酸的降解一、核苷酸的降解1 1、核苷酸酶（磷酸单脂酶）、核苷酸酶（磷酸单脂酶） 水解核苷酸，产生核苷和磷酸。水解核苷酸，产生核苷和磷酸。OBOHOHOH2

11、CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶核糖核苷酸 OH2CPOHHOOOBOH脱氧核糖核苷酸2 2、核苷磷酸化酶、核苷磷酸化酶广泛存在，反应可逆广泛存在，反应可逆核苷核苷 + + 磷酸磷酸核苷磷酸化酶碱基碱基 + + 戊糖戊糖-1-1-磷酸磷酸（鸟类、爬行类、人类和灵（鸟类、爬行类、人类和灵长类动物）长类动物）（灵长类以外的哺乳动物）（灵长类以外的哺乳动物）二二、嘌嘌呤呤的的降降解解尿囊酸酶尿囊酸酶H2O脲酶脲酶2H2O4NH3 + 2CO2乙醛酸乙醛酸尿素尿素OHNH2尿囊酸尿囊酸（大多鱼类、两栖类）（大多鱼类、两栖类）（海洋无脊椎动物）（海洋无脊椎动物）脱氨脱氨 氧化氧

12、化 水解水解（硬骨鱼类）（硬骨鱼类）三、嘧啶的降解三、嘧啶的降解脱氨脱氨 还原还原 水解水解一、嘌呤核苷酸的生物合成一、嘌呤核苷酸的生物合成从头合成途径从头合成途径(de novo synthesis pathway)补救合成途径补救合成途径(salvage synthesis pathway)二、嘧啶核苷酸的生物合成嘧啶核苷酸的生物合成从头合成途径从头合成途径补救合成途径补救合成途径第三节第三节 核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成 三、脱氧核苷酸的生物合成三、脱氧核苷酸的生物合成GMPAMP一、嘌呤核苷酸（一、嘌呤核苷酸（AMPAMP、GMP)GMP)的生物合成的生物合成指利用指利用磷酸核糖、

13、氨基酸、一碳单位及二磷酸核糖、氨基酸、一碳单位及二氧化碳氧化碳等简单物质为原料，经过一系列酶促反等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的途径。应，合成嘌呤核苷酸的途径。 1 1、嘌呤核苷酸的从头合成：、嘌呤核苷酸的从头合成：（1 1）概念）概念：（2 2）嘌呤环合成的元素来源）嘌呤环合成的元素来源CO2天冬氨酸天冬氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）甘氨酸甘氨酸甲酰基甲酰基（一碳单位）（一碳单位）谷氨酰胺谷氨酰胺（酰胺基）（酰胺基）（3 3）合成过程）合成过程 IMP的合成的合成 AMP和和GMP的生成的生成 IMP的合成过程的合成过程 AMP和和GMP的生成的生成AMPAD

14、PATPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶GMPGDPGTPADPATP激酶激酶ADPATP激酶激酶嘌呤核苷酸是在嘌呤核苷酸是在磷酸核糖磷酸核糖分子上逐步合成的。分子上逐步合成的。IMP的合成需的合成需5个个ATP，6个高能磷酸键。个高能磷酸键。AMP或或GMP的合成又需的合成又需1个个ATP。（4 4）嘌呤核苷酸从头合成特点）嘌呤核苷酸从头合成特点总反应：总反应：5-5-磷酸核糖磷酸核糖 + + COCO2 2 + + 甲川甲川THFA + THFA + 甲酰甲酰THFA THFA + 2Gln + Gly + Asp + + 2Gln + Gly + Asp + 5ATP 5ATP

15、IMPIMP+ 2THFA + 2Glu + + 2THFA + 2Glu + 延胡索酸延胡索酸 + +4 4ADP +4Pi + 1AMP + PPiADP +4Pi + 1AMP + PPi 2 2、补救合成途径、补救合成途径 利用体内游离的利用体内游离的嘌呤或嘌呤核苷嘌呤或嘌呤核苷，经过简单的反应，合成嘌呤，经过简单的反应，合成嘌呤核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。核苷酸的过程，称为补救合成（或重新利用）途径。(1) (1) 磷酸核糖转移酶途径（重要途径）磷酸核糖转移酶途径（重要途径）次黄嘌呤（鸟嘌呤）+ 5-PRPP次黄嘌呤次黄嘌呤( (鸟嘌呤鸟嘌呤) )磷酸核糖转移酶磷酸

16、核糖转移酶IMP（GMP)+ PPi腺嘌呤 + 5-PRPP腺嘌呤磷酸核糖转移酶腺嘌呤磷酸核糖转移酶AMP + PPi2 2、核苷激酶途径、核苷激酶途径（生物体内只发现有（生物体内只发现有腺苷激酶腺苷激酶）腺嘌呤腺嘌呤 + + 核糖核糖-1-1-磷酸磷酸核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶腺嘌呤腺嘌呤核苷核苷 + Pi腺苷腺苷 + ATP腺苷激酶腺苷激酶腺苷酸腺苷酸 + ADP生理意义：生理意义： 补救合成节省从头合成时的能量和一些补救合成节省从头合成时的能量和一些氨基酸的氨基酸的消耗消耗。二、嘧啶核苷酸的合成二、嘧啶核苷酸的合成（1 1）从头合成的概念：）从头合成的概念：利用利用谷氨酰胺、二氧化碳和天冬

17、氨酸谷氨酰胺、二氧化碳和天冬氨酸等简等简单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧单物质为原料，经过一系列酶促反应，合成嘧啶核苷酸的途径。啶核苷酸的途径。 1、嘧啶核苷酸的嘧啶核苷酸的从头合成从头合成 （2 2）嘧啶环上各原子的来源）嘧啶环上各原子的来源 来自天冬氨酸来自天冬氨酸来自来自CO2来自来自NH3NNCCCC654321氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸(3)(3)从头合成过程：从头合成过程：合成合成UMPUMP合成合成CMPCMP合成合成UMPUMPUMPUDPUTPADPATP激酶激酶 ADPATP激酶激酶UTPCTP谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺ATP、CTP合成酶合成酶三磷酸尿苷三磷酸尿苷三磷

18、酸胞苷三磷酸胞苷 合成合成CMPCMP嘧啶碱 + 1-磷酸核糖核苷磷酸化酶嘧啶核苷 + Pi尿苷（胞苷） + ATP尿苷激酶Mg2+UMP（CMP） + ADP（2 2）磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）磷酸核糖转移酶途径（胞嘧啶不行）尿嘧啶磷酸核糖转移酶尿嘧啶 + 5-PRPPUMP + PPi2 2、补救途径、补救途径（1 1） 嘧啶核苷激酶途径（重要途径）嘧啶核苷激酶途径（重要途径）核苷酸的生物合成的比较核苷酸的生物合成的比较 相同点相同点1.1. 合成原料基本相同合成原料基本相同嘌啶核苷酸嘌啶核苷酸嘧啶核苷酸嘧啶核苷酸2.2. 都有从头和补救途径都有从头和补救途径 3. 先合成有关的核苷

19、酸先合成有关的核苷酸, , 再合成其它核苷酸再合成其它核苷酸不同点不同点1.1. 在在R -5R -5-P -P 基础上合成嘌呤基础上合成嘌呤环环2 2. .先合成先合成IMPIMP3.3. 在在IMPIMP基础上，合成基础上，合成AMPAMP和和GMPGMP1 1. .先合成嘧啶环，再与先合成嘧啶环，再与R-R-5 5-P-P结合结合2. 2. 先合成先合成UMPUMP3. 3. 在在UMPUMP基础上基础上, , 合成合成 CTP, TMPCTP, TMP三、脱氧核糖核苷酸的生成三、脱氧核糖核苷酸的生成在核苷二磷酸水平上进行在核苷二磷酸水平上进行（N代表代表A、G、U、C等碱基）等碱基）1、脱氧核糖核苷酸的生成（、脱氧核糖核苷酸的生成（dTMP除外）除外）dNDP + ATP 激酶激酶dNTP + ADP2 2、核